基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在食品重金屬檢測(cè)中的研究進(jìn)展

邵陽(yáng)陽(yáng)，董燕婕，范麗霞，王 磊，苑學(xué)霞，張 梅,3，劉 賓，李大鵬，趙善倉(cāng),

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，山東省食品質(zhì)量與安全檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250100；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018；3.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博 255000）

食品安全問(wèn)題關(guān)系到人類的健康和社會(huì)的穩(wěn)定，常見(jiàn)的食品污染物包括重金屬、農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、生物毒素等[1]，其中重金屬污染對(duì)食品安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。重金屬是指原子量在63.5～200.6 之間、原子密度大于5 g/cm3的金屬，包括鉛、汞、砷、銅、鎘、鈷、鋅等，約有45 種[2?4]。重金屬具有毒性強(qiáng)、分布廣、難以生物體降解等特點(diǎn)[5?7]，在體內(nèi)的積累會(huì)對(duì)粘液組織、腸道、骨骼、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肝臟、腎臟和生殖系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害[8]，因此食品中重金屬的檢測(cè)非常重要。

食品中傳統(tǒng)的重金屬檢測(cè)方法主要有原子熒光光譜法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法[9?12]。雖然這些方法可以準(zhǔn)確測(cè)定重金屬含量，但由于受設(shè)備昂貴且體積大、需要專業(yè)人員操作、基質(zhì)預(yù)處理步驟相對(duì)復(fù)雜、檢測(cè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)等限制，僅適用于實(shí)驗(yàn)室分析，難以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)[13]。

適配體通常是指通過(guò)體外指數(shù)富集配體的系統(tǒng)進(jìn)化（systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX）技術(shù)人工篩選得到的單鏈DNA或RNA[14?15]。適配體具有與離子、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、細(xì)菌、組織等多種目標(biāo)物結(jié)合的能力[1?4,16?18]?；陔娀瘜W(xué)的適配體傳感器用于檢測(cè)目標(biāo)物時(shí)，適配體與目標(biāo)物結(jié)合導(dǎo)致適配體的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而引起電壓、電流、電阻等電信號(hào)的改變，最終建立電信號(hào)與待測(cè)目標(biāo)物之間的關(guān)系[19?20]?；陔娀瘜W(xué)的適配體傳感器因其反應(yīng)速度快、成本低且適配體易于修飾等特點(diǎn)而受到眾多研究者的關(guān)注。當(dāng)前，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多新型的納米材料，這給電化學(xué)適配體傳感器的性能改進(jìn)提供了可能[21]。本文就基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在重金屬（主要是鉛、汞、砷、鎘）檢測(cè)中的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 常見(jiàn)的納米材料

納米材料是指材料的三維空間中至少一維尺寸在1～100 nm 或者由其作為基本單位構(gòu)成的材料[22]。由于其尺寸減小到納米水平，它具有許多與傳統(tǒng)材料不同的光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。在基于電化學(xué)的適配體傳感器檢測(cè)領(lǐng)域，納米材料主要用于修飾電極以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器性能的提升[23]。

1.1 金屬納米材料

與金屬電極相比，金屬納米材料具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和催化性能，可直接用于電極修飾或者通過(guò)官能團(tuán)連接到化學(xué)和生物分子上以制備高特異性重金屬離子傳感器[24?27]。其中，金納米粒子（gold nanoparticles，AuNPs）應(yīng)用最為廣泛[8]。與其它貴金屬納米材料相比，將AuNPs 用作傳感器方面具有許多優(yōu)勢(shì)。首先，AuNPs 大的比表面積提高了檢測(cè)的靈敏度[28]；其次，AuNPs 具有惰性和抗氧化性，并且可以通過(guò)檸檬酸三鈉還原法（Turkevich-Frens）、相轉(zhuǎn)移法（Brust-Schiffrin）、晶種法和綠色合成法等多種物理化學(xué)和生物途徑合成[29?30]；第三，AuNPs 獨(dú)特的光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)可通過(guò)調(diào)整粒子的大小、形狀和聚集狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)[31]，這些性質(zhì)均可為重金屬檢測(cè)提供良好的傳感檢測(cè)平臺(tái)。例如，Maatouk 等[32]以AuNPs-谷胱甘肽/半胱氨酸為傳感界面，構(gòu)建了用于檢測(cè)Hg2+電化學(xué)適配體傳感器。此外，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，還評(píng)估了AuNPs 對(duì)傳感器性能的影響，結(jié)果表明，AuNPs-谷胱甘肽/半胱氨酸修飾的傳感器的檢測(cè)限相對(duì)于谷胱甘肽/半胱氨酸修飾的傳感器大幅度降低（約20 倍）。Cai 等[33]以AuNPs 作為修飾材料，通過(guò)雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在電極表面形成DNA 水凝膠作為信號(hào)放大元件，構(gòu)建了超靈敏的Hg2+傳感器。該傳感器的檢測(cè)限低至0.042 pmol/L,遠(yuǎn)低于我國(guó)食品安全中飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 金屬氧化物

與金屬納米材料的性質(zhì)相似，金屬氧化物比表面積大、吸附能力強(qiáng)并且具有較高的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[34]。此外，金屬氧化物納米材料用于修飾電極時(shí)，可通過(guò)降低過(guò)電勢(shì)、增加電流密度來(lái)提高電化學(xué)傳感性能[35]。近年來(lái)，具有球狀結(jié)構(gòu)的Fe3O4因其成本低、制備簡(jiǎn)單、無(wú)毒、優(yōu)異的吸附能力和電子傳遞動(dòng)力學(xué)特性在電化學(xué)傳感器得到廣泛應(yīng)用。這類材料修飾電極時(shí)主要依靠其吸附性而使傳感器導(dǎo)電性欠佳，因此可通過(guò)將其表面功能化為重金屬的檢測(cè)提供一種新的策略[36]。例如，Wu 等[37]開發(fā)了一種基于TH 和鏈霉親和素-Fe3O4的磁性電極檢測(cè)Hg2+的高靈敏電化學(xué)適配體傳感器。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，制備的電化學(xué)傳感器LR 為1～200 nmol/L，LOD 為0.33 nmol/L。此外，由于鏈霉親和素-Fe3O4和電極均帶有磁性，有利于后續(xù)實(shí)驗(yàn)，提高傳感器的分析速度。Luo[38]等制備了一種基于鉑納米管陣列/碳纖維柔性電極、TH 標(biāo)記的Fe3O4/rGO 納米探針的“三明治型”Hg2+適配體傳感器。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，該傳感器表現(xiàn)出協(xié)同信號(hào)放大性能，LR 為0.1～100 nmol/L，LOD 為30 pmol/L 并且對(duì)水樣中的Hg2+檢測(cè)真實(shí)可靠。

1.3 碳納米材料

碳納米材料具有獨(dú)特的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，并具有較大的活性表面積[39]。碳納米材料包括富勒烯、碳納米管、石墨烯、碳納米球、碳納米纖維和介孔碳等，其中碳納米管和石墨烯在電化學(xué)中應(yīng)用最為廣泛[40]。

1.3.1 碳納米管 自從Iijima 發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳納米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）后[41?42]，碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中。與傳統(tǒng)的碳基電極相比，CNTs 具有導(dǎo)電性、半導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性等不同的電學(xué)特性[21,43]，因此基于CNTs的傳感器通常具有更快的電子轉(zhuǎn)移速度、更高的靈敏度和更低的檢測(cè)限[44]。SWCNTs 由單個(gè)空心管組成；MWCNTs 由多個(gè)同軸納米管組成，其層之間相隔0.34 nm，直徑在2～20 nm之間[22,45]。CNTs 由于其微米級(jí)長(zhǎng)度和納米級(jí)直徑而具有較大的長(zhǎng)徑比[22?23]，這種性質(zhì)可以將電流限制在特定方向并減少傳感器的檢測(cè)時(shí)間[46]。基于以上原因，碳納米管修飾的電化學(xué)傳感器已經(jīng)成功地應(yīng)用于生物分子和污染物的檢測(cè)[47?48]。例如，Wang 等[49]將富含G的適配體和帶有氨基的互補(bǔ)鏈通過(guò)肽鍵共價(jià)偶聯(lián)至SWCNTs 修飾的場(chǎng)效應(yīng)晶體管上，構(gòu)建了Pb2+傳感平臺(tái)，LOD 低至0.39 ng/L 且每次檢測(cè)完成后，互補(bǔ)鏈可與適配體重新結(jié)合，使該適配體傳感器可重復(fù)使用，降低了檢測(cè)成本。Wang 等[50]基于單鏈DNA（single strand DNA，ssDNA）與As3+結(jié)合和SWCNTs 進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，構(gòu)建了一種優(yōu)異的電化學(xué)分析方法。通過(guò)檢測(cè)SWCNTs 介導(dǎo)的電流，可計(jì)算出0.5～10 ppb的As3+的LR 和0.5 ppb的LOD。這種基于SWCNTs的適配體傳感器為檢測(cè)As3+創(chuàng)造了一種簡(jiǎn)單、靈敏、無(wú)放射性的途徑。

1.3.2 石墨烯 石墨烯（graphene，GR）是由碳原子通過(guò)sp2雜化軌道鍵合構(gòu)成的蜂窩狀二維納米材料[21?22,35]，具有出色的電子傳遞能力和優(yōu)異的導(dǎo)電性[51]。GR的理論比表面積為2630 m2/g，遠(yuǎn)大于CNTs的比表面積[21,52]，因此用GR 修飾的電極可通過(guò)增大與含有待測(cè)目標(biāo)物的溶液接觸的活性表面積來(lái)提高傳感器檢測(cè)的線性范圍和靈敏度[53]。Novoselov 等[54]首先通過(guò)機(jī)械剝離石墨粉的方式得到完整的GR，但該方法產(chǎn)率相對(duì)較低。與該方法相比，利用化學(xué)法還原氧化石墨烯（graphene oxide，GO）來(lái)制備GR，在電化學(xué)的傳感領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)[35,55]。這種方法的得到的GR 表面具有更多的邊緣活性位點(diǎn)和官能團(tuán)，這有利于實(shí)現(xiàn)電極界面電子的快速轉(zhuǎn)移和促進(jìn)其他金屬顆粒黏附到其表面上[35,56]。由于GR 具備這些性能，石墨烯基材料被認(rèn)為是電化學(xué)傳感器的極佳材料[57]。例如，Gao 等[58]利用GR 作為信號(hào)增強(qiáng)平臺(tái)，構(gòu)建了用于檢測(cè)Pb2+的的電化學(xué)適配體傳感器。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，峰值電流的衰減與Pb2+濃度在1.6×10?13～1.6×10?10mol/L 范圍內(nèi)的對(duì)數(shù)呈良好的線性關(guān)系，LOD 為3.2×10?14mol/L。Zhang等[59]將GR 和AuNPs 先后沉積在電極表面并結(jié)合AuNPs 對(duì)電化學(xué)信號(hào)的放大作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)amol/L級(jí)別的Hg2+檢測(cè)，檢測(cè)限低至0.001 amol/L。

2 基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在重金屬檢測(cè)的應(yīng)用

基于電化學(xué)的適配體傳感器在檢測(cè)重金屬離子方面具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)電極的表面積較小、對(duì)重金屬離子的吸附性能有限。將納米材料引入傳感平臺(tái)，可大大提高其導(dǎo)電性、靈敏度[60?61]，并且由于納米材料具有較強(qiáng)的吸附能力和較大的比表面積，可實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的有效富集[62?63]。

2.1 基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)Pb2+中的應(yīng)用

鉛可對(duì)兒童的生殖、神經(jīng)、免疫、心血管系統(tǒng)以及發(fā)育過(guò)程都有不利影響[64]，因此建立對(duì)鉛離子的實(shí)時(shí)評(píng)估的方法具有重要意義。表1 列出了基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)Pb2+中的應(yīng)用（主要包括Pb2+的適配體序列、線性范圍、檢測(cè)限和樣品基質(zhì)）。

表1 基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)Pb2+中的應(yīng)用Table 1 Nanomaterial-based electrochemical aptasensors for lead(II) detection

2.1.1 基于差分脈沖伏安法的Pb2+適配體傳感器差分脈沖伏安法具有較高的靈敏度和很低的檢出限，因此在重金屬分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?；赑b2+與富含G的適配體的高度特異性結(jié)合能力[68]，Taghdisi 等[65]利用AuNPs、適配體、硫堇（thionine，TH）和具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)鏈（complementary strand，CS）制備了一種用于檢測(cè)Pb2+的電化學(xué)適配體傳感器（圖1）。無(wú)Pb2+時(shí)，適配體與CS 作用，大量的AuNPs 與CS 通過(guò)Au-S 鍵結(jié)合。隨后，TH 加入到電極表面，與AuNPs 通過(guò)靜電作用結(jié)合，從而形成強(qiáng)烈的電化學(xué)信號(hào)；Pb2+存在時(shí)，適配體與Pb2+形成G-四聯(lián)體，CS的發(fā)夾結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙AuNPs 與之結(jié)合，電化學(xué)信號(hào)微弱。利用差分脈沖伏安法（Differential pulse voltammetry，DPV），在最優(yōu)條件下，該傳感器的線性范圍（linear range，LR）為0.6～50 nmol/L，檢測(cè)限（limit of detection，LOD）為312 pmol/L。此外，該傳感器成功地應(yīng)用于水中和牛奶中Pb2+的選擇性檢測(cè)，其測(cè)定LOD 分別為326 和537 pmol/L。Zhu 等[66]首先將AuNPs 沉積在MWCNTs 修飾的玻碳電極上，隨后將DNA 捕獲探針自組裝到修飾電極表面與富G 適配體探針雜交，形成DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)存在Pb2+時(shí)，可誘導(dǎo)富G 適配體形成G-四聯(lián)體，使DNA 解螺旋，同時(shí)亞甲藍(lán)作為G-四聯(lián)體形成的指示劑。與MWCNTs 修飾的傳感器相比，經(jīng)MWCNTs/AuNPs 修飾后，傳感器具有更大的表面積、更好的電荷傳輸能力和更高的靈敏度，對(duì)Pb2+的LOD 達(dá)到4.3×10?15mol/L?？偟膩?lái)說(shuō)，基于DPV的Pb2+適配體傳感器修飾納米材料以后，均表現(xiàn)出選擇性好、靈敏度高等特點(diǎn)。

圖1 用于Pb2+測(cè)定的電化學(xué)適配體傳感器[65]Fig.1 Electrochemical aptasensor for the determination of lead(II)[65]

2.1.2 基于電化學(xué)發(fā)光的Pb2+適配體傳感器 除了最常見(jiàn)的DPV 技術(shù)，在檢測(cè)Pb2+的生物傳感器中，以電化學(xué)發(fā)光（electrochemiluminescence，ECL）技術(shù)為基礎(chǔ)的生物傳感器，結(jié)合了電化學(xué)和化學(xué)發(fā)光生物傳感器的優(yōu)點(diǎn)，因其靈敏度高、易于操作、成本低而受到了廣泛的關(guān)注。

Feng 等[27]利用多孔對(duì)苯二甲酸鋁和碲化鎘量子點(diǎn)（MIL-53（Al）@CdTe）復(fù)合物材料、鉑納米粒子（Pt nanoparticles，PtNPs）或AuNPs 標(biāo)記的適配體構(gòu)建了一種用于簡(jiǎn)單的重金屬離子多重測(cè)定ECL 傳感器。如圖2 所示，在無(wú)Pb2+和Hg2+時(shí)，該傳感器表現(xiàn)出較高的ECL 強(qiáng)度。當(dāng)加入Hg2+時(shí)（路徑1），AuNPs 修飾的適配體形成T-Hg2+-T 發(fā)夾結(jié)構(gòu)從電極表面移除，導(dǎo)致ECL 強(qiáng)度下降。此時(shí)，如果加入Pb2+，PtNPs 修飾的適配體形成G-四聯(lián)體（路徑2）。由于PtNPs 與CdTe 量子點(diǎn)之間存在ECL 共振能量傳遞（ERET），ECL 強(qiáng)度進(jìn)一步下降。另一方面，當(dāng)只有Pb2+時(shí)，PtNPs 修飾的適配體形成G-四聯(lián)體，AuNPs 修飾的適配體和CS 均從電極表面脫離，導(dǎo)致ECL 強(qiáng)度下降。因此，可通過(guò)計(jì)算ECL 強(qiáng)度的差值計(jì)算出重金屬離子的LOD 分別為4.1×10?12mol/L（路徑1，Hg2+）、3.7×10?11mol/L（路徑2，Pb2+）、2.4×10?11mol/L（路徑3，Pb2+）并已成功地應(yīng)用于魚和蝦中的重金屬分析。Peng 等[67]基于石墨化氮化碳納米纖維與Ru（phen）32+之間的電化學(xué)發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移，開發(fā)了一種用于Pb2+超靈敏檢測(cè)的無(wú)標(biāo)簽適配體傳感器，LOD 低至0.04 pmol/L，并已成功應(yīng)用于自來(lái)水中Pb2+檢測(cè)，加標(biāo)回收率為96.5%～106.8%?；贓CL的適配體傳感器在電化學(xué)適配體傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了檢測(cè)的靈敏度和選擇性，在重金屬檢測(cè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。但是其穩(wěn)定性和重現(xiàn)性有待改進(jìn)，ECL 信號(hào)容易受到待測(cè)樣品本身的背景信號(hào)干擾。

圖2 用于Pb2+和Hg2+測(cè)定的電化學(xué)發(fā)光適配體傳感器[27]Fig.2 Electrochemical luminescence aptasensor for the determination of lead(II) and mercury(II)[27]

2.2 基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)Hg2+中的應(yīng)用

有機(jī)汞和無(wú)機(jī)汞都具有神經(jīng)毒性，會(huì)導(dǎo)致聽力喪失、智力退化、言語(yǔ)困難、視力受損、前庭功能障礙和自閉癥[69]，因此建立簡(jiǎn)單、特異性的Hg2+檢測(cè)方法尤為重要。表2 列出了基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)Hg2+中的應(yīng)用。（主要包括Hg2+的適配體序列、線性范圍、檢測(cè)限和樣品基質(zhì)）

表2 基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)Hg2+中的應(yīng)用Table 2 Nanomaterial-based electrochemical aptasensors for mercury(II) detection

2.2.1 基于差分脈沖伏安法的Hg2+適配體傳感器基于T-Hg2+-T 結(jié)構(gòu)[76]，He 等[70]利用修飾在電極上的納米復(fù)合物、AuNPs 修飾的DNA 作為雙信號(hào)放大單元，制備了用于檢測(cè)Hg2+的傳感器。如圖3 所示，DFNP 包含帶有生物素的發(fā)夾探針DNA（probe DNA，PD）和帶有亞甲藍(lán)（methylene blue，MB）標(biāo)記的線性信號(hào)DNA。當(dāng)加入Hg2+和輔助DNA（helper DNA，HD）時(shí)，Hg2+介導(dǎo)PD 和HD的T-T 錯(cuò)配，形成T-Hg2+-T 結(jié)構(gòu)，PD的發(fā)夾結(jié)構(gòu)被打開并使生物素被親和素識(shí)別，從而導(dǎo)致DFNP 帶到電極上并產(chǎn)生強(qiáng)烈的DPV 信號(hào)。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，該傳感器的LR 為0.35～3500 pmol/L，LOD 為0.21 pmol/L。檢測(cè)中草藥樣品中時(shí)，Hg2+的加標(biāo)回收率為99.4%～104.2%。Yu 等[71]利用AuNPs 修飾的蒲公英狀的CuO 納米微球作為適配體的支持材料、甲苯胺藍(lán)作為氧化還原指示劑，結(jié)合雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行信號(hào)放大，用于對(duì)Hg2+的高靈敏度檢測(cè)。在最佳條件下，該傳感器的LR 為1 pmol/L～100 nmol/L，LOD 為0.2 pmol/L。最后該傳感器成功地應(yīng)用于自來(lái)水中Hg2+檢測(cè)（加標(biāo)回收率：95.84%～101.3%）?？偟膩?lái)說(shuō)，基于DPV的Hg2+適配體傳感器修飾納米材料后大多數(shù)具有良好的傳感性能，在Hg2+的痕量檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 用于Hg2+測(cè)定的電化學(xué)適配體傳感器[71]Fig.3 Electrochemical aptasensor for the determination of mercury(II)[71]

2.2.2 基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的Hg2+適配體傳感器 近年來(lái)，基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（field effect transistor，F(xiàn)ET）的適配體傳感器因具有免標(biāo)記、靈敏度高、特異性好、響應(yīng)快速、易于集成等優(yōu)勢(shì)引起眾多研究人員的關(guān)注。An 等[72]受具有石墨烯晶體管的液體離子門控FET 系統(tǒng)在液態(tài)和低電壓操作下均顯示出出色的穩(wěn)定性的啟發(fā)，報(bào)道了一種石墨烯基柔性適配體傳感器的簡(jiǎn)單制備方法。結(jié)果表明，該傳感器因Hg2+離子與適配體之間的結(jié)合而具有很強(qiáng)的場(chǎng)誘導(dǎo)響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+的高靈敏檢測(cè)且響應(yīng)時(shí)間小于1 s，可實(shí)現(xiàn)Hg2+的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。將該傳感器進(jìn)行100 次折彎/松弛，電流下降不到6%，這為開發(fā)便攜式設(shè)備提供了一種新途徑。Samira 等[73]制備了DNA-碳量子點(diǎn)復(fù)合物修飾的MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器，用于超靈敏地檢測(cè)Hg2+。該傳感器可在1 amol/L～10 pmol/L的濃度范圍內(nèi)檢測(cè) Hg2+，LOD 為0.65 amol/L。最后將該傳感器成功地應(yīng)用于自來(lái)水（加標(biāo)回收率：99.8%～104.0%）和礦泉水（加標(biāo)回收率：95%～106%）中的Hg2+檢測(cè)?？偟膩?lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)電化學(xué)傳感平臺(tái)相比，基于FET的適配體傳感器不受電活性物質(zhì)的限制且提高了檢測(cè)速度，可以做到免標(biāo)記與實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2.2.3 基于光電化學(xué)法的Hg2+適配體傳感器 由于光電化學(xué)法（photoelectrochemical method，PEC）具有高靈敏度和低背景信號(hào)的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于食品和水分析中[1]。Li 等[74]以槲皮素銅（II）配合物作為DNA 嵌入劑，開發(fā)了檢測(cè)Hg2+的基于苝-3,4,9,10-四羧酸/氧化石墨烯異質(zhì)結(jié)的光電化學(xué)傳感法。當(dāng)加入Hg2+時(shí)，由于形成T-Hg2+-T 結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致槲皮素銅（II）配合物從傳感器表面脫離，使光電流減小。結(jié)果表明，在0.01～1 pmol/L的Hg2+濃度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，LOD 達(dá)到3.33 fmol/L。最后將該傳感器成功地應(yīng)用于自來(lái)水（加標(biāo)回收率：96.17%～107.25%）中的Hg2+檢測(cè)。該P(yáng)EC 傳感器具有制備簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)且槲皮素銅（II）配合物作為一種新型的DNA 嵌入劑，為提高PEC 傳感器的性能開辟了一條新途徑。Xu 等[75]以亞甲基藍(lán)作為PEC的探針，制備了一種基于外切酶III 促進(jìn)信號(hào)放大的無(wú)固定化、無(wú)標(biāo)簽的適配體傳感器。該傳感器實(shí)現(xiàn)了超靈敏的Hg2+檢測(cè)，LOD 低至1.2 pmol/L，這遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織、中國(guó)衛(wèi)生部和美國(guó)環(huán)保署規(guī)定的飲用水中Hg2+的最高允許水平。此外，由于避免了復(fù)雜的電極修飾和識(shí)別探針固定化過(guò)程，以及昂貴的標(biāo)記程序，該P(yáng)EC 傳感器顯示了簡(jiǎn)單、快速和低成本的優(yōu)點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，PEC 因其具有低背景值使得檢出限非常低,因此光電化學(xué)傳感器的靈敏度通常優(yōu)于其他微量分析方法，然而，光電化學(xué)傳感器的研究和應(yīng)用由于發(fā)光材料的種類較少和制備技術(shù)不成熟尚處于初步階段,導(dǎo)致其大規(guī)模生產(chǎn)受到限制。

2.3 基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)As3+中的應(yīng)用

由于砷的化學(xué)性質(zhì)與重金屬相似，砷也被認(rèn)為是一種重金屬[77]。自從2009 年使用SELEX 成功篩選砷的適配體以來(lái)[78]，在電化學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)出了許多檢測(cè)砷的方法[79?82]。表 3 列出了基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)As3+中的應(yīng)用。（主要包括As3+的適配體序列、線性范圍、檢測(cè)限和樣品基質(zhì)）

表3 基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)As3+中的應(yīng)用Table 3 Nanomaterial-based electrochemical aptasensors for arsenic (III) detection

2.3.1 基于DPV的As3+適配體傳感器 Cui 等[79]利用無(wú)標(biāo)記的傳感器對(duì)As3+進(jìn)行了靈敏的測(cè)定。在該傳感平臺(tái)上，適配體首先通過(guò)Au-S 共價(jià)鍵自組裝在絲網(wǎng)印刷電極上，然后通過(guò)靜電作用吸附陽(yáng)離子聚合物聚二烯丙基二甲基銨（poly-diallyldimethylammonium，PDDA），從而排斥其他陽(yáng)離子。當(dāng)引入As3+時(shí)，由于形成適配體/As3+絡(luò)合物使適配體構(gòu)象變化，導(dǎo)致PDDA 與適配體之間的靜電作用程度減弱，使更多的[Ru（NH3）6]3+吸附在電極表面。利用[Ru（NH3）6]3+與適配體之間的作用，可用于選擇性的檢測(cè)As3+，最低可檢測(cè)濃度為0.15 nmol/L，并已成功地應(yīng)用于自來(lái)水（加標(biāo)回收率：96.2%～99.5%）和礦泉水（加標(biāo)回收率：95%～106.5%）中的As3+檢測(cè)。該傳感器無(wú)需標(biāo)記、簡(jiǎn)便快速、且可拋棄式絲網(wǎng)印刷電極有利于實(shí)現(xiàn)As3+的低成本檢測(cè)（圖4）。

圖4 用于As3+測(cè)定的電化學(xué)適配體傳感器[79]Fig.4 Electrochemical aptasensor for the determination of arsenic(III)[79]

Wen 等[80]將GO 作為普魯士藍(lán)納米粒子（Prussian blue nanoparticles，PBNPs）生成的支持基質(zhì)，構(gòu)建了檢測(cè)As3+的傳感平臺(tái)。在此平臺(tái)上，被硫醇鹽修飾的（thiolate-labeled（GT）21-ssDNA，（（GT）21-ssDNA）通過(guò)Au-S 鍵自組裝在金電極表面。然后GO 通過(guò)π-π 堆積與ssDNA 相互作用，并促進(jìn)了其表面上PBNPs的生成。如果沒(méi)有As3+，許多GO/PBNPs 被吸附在金電極表面，PBNPs 會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的氧化還原信號(hào)響應(yīng)。在As3+存在時(shí)，（GT）21-ssDNA 通過(guò)氫鍵識(shí)別并與As3+結(jié)合形成卷曲狀的（GT）21-ssDNA/As3+復(fù)合物。（GT）21-ssDNA的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致GO/PBNPs 在電極表面的吸附減少，氧化還原信號(hào)響應(yīng)降低。該傳感器通過(guò)As3+誘導(dǎo)的（GT）21-ssDNA 構(gòu)象變化引起的氧化還原信號(hào)變化來(lái)確定砷濃度，LR 為0.2～500 μg/L，LOD 為58 ng/L。但是該方法耗時(shí)長(zhǎng)（在進(jìn)行DPV 測(cè)試之前，適配體與As3+的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 h），限制了其應(yīng)用。

2.3.2 基于電化學(xué)阻抗法的As3+適配體傳感器 此外，修飾電極上電荷轉(zhuǎn)移電阻的變化也會(huì)引起電化學(xué)信號(hào)的改變，因此電化學(xué)阻抗法（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）也可代替常用的DPV技術(shù)，實(shí)現(xiàn)As3+的超靈敏檢測(cè)[83]。Baghbaderani 等[81]利用殼聚糖-全氟磺酸作為導(dǎo)電平臺(tái)、CNTs 作為信號(hào)放大單元，構(gòu)建了一種用于高靈敏檢測(cè)As3+的無(wú)標(biāo)記適配體傳感器。該傳感器在可重復(fù)性、選擇性等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，可用于As3+的快速檢測(cè)。Ensafi 等[82]制備了一種基于3D-rGO/AuNPs 材料的新型適配體傳感器。當(dāng)引入As3+時(shí)，As3+和ssDNA可以形成G-四聯(lián)體，阻礙電子轉(zhuǎn)移，使EIS 信號(hào)增加。在經(jīng)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，傳感器的LOD 為1.4×10?7ng/mL。該適配體傳感器對(duì)于As3+的定量具有良好的重復(fù)性和選擇性，回收率在可接受范圍內(nèi)?？偟膩?lái)說(shuō)，基于EIS的適配體傳感器均具有靈敏度高、檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。

2.4 基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)Cd2+中的應(yīng)用

鎘作為毒性最強(qiáng)的金屬之一，很容易通過(guò)食物鏈在動(dòng)物和人類體內(nèi)積累。急性鎘中毒的癥狀包括高血壓、腎損傷、貧血、高血壓、癌癥等[84]。因此，仍然迫切需要開發(fā)更靈敏、更有選擇性的檢測(cè)實(shí)際樣品中微量鎘的方法。表 4 列出了基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)Cd2+中的應(yīng)用。（主要包括Cd2+的適配體序列、線性范圍、檢測(cè)限和樣品基質(zhì)）

如表4 所示，大多數(shù)檢測(cè)Cd2+的電化學(xué)適配體傳感器具有較好的傳感性能，較低的LOD（最低的LOD 值在fmol/L 范圍內(nèi)）[85?89]。例如，Wang 等[85]利用適配體和還原氧化石墨烯/石墨化氮化碳組成的復(fù)合體系，開發(fā)了一種新型Cd2+傳感器。該傳感平臺(tái)的具有較大的LR（1 nmol/L～1 mmol/L），較低的LOD（0.337 nmol/L），并已成功的用于自來(lái)水（加標(biāo)回收率：97.3%～102.0%）中Cd2+的檢測(cè)。Chang 等[86]報(bào)道了一種Cd2+的超痕量檢測(cè)方法。如圖5 所示，當(dāng)Cd2+不存在時(shí)，適配體-互補(bǔ)鏈組成雙螺旋結(jié)構(gòu)，阻礙了MB的有效電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致MB的氧化峰電流減小。當(dāng)Cd2+存在時(shí)，適配體與Cd2+特異性結(jié)合，雙螺旋解開，促進(jìn)了MB的電子轉(zhuǎn)移效率，導(dǎo)致電化學(xué)信號(hào)增強(qiáng)。該傳感平臺(tái)可對(duì)Cd2+在1 fmol/L～1 nmol/L范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且LOD 低至0.65 fmol/L（低于近年來(lái)報(bào)道的大多數(shù)電化學(xué)適配體傳感器）?？傮w而言，本文報(bào)道的Cd2+電化學(xué)傳感器大多具有很高的靈敏度，LOD 低于美國(guó)環(huán)境保護(hù)署規(guī)定的飲用水毒性水平。進(jìn)一步優(yōu)化，其中一些傳感器可以用于實(shí)際樣品分析，這為Cd2+的快速檢測(cè)提供了新途徑。

圖5 用于Cd2+測(cè)定的電化學(xué)適配體傳感器[86]Fig.5 Electrochemical aptasensor for the determination of cadmium(II) [86]

表4 基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在檢測(cè)Cd2+中的應(yīng)用Table 4 Nanomaterial-based electrochemical aptasensors for cadmium(II) detection

3 結(jié)語(yǔ)

重金屬污染嚴(yán)重威脅著食品安全和人類健康，食品中重金屬含量極低，一般僅為μg/g 級(jí)或ng/g 級(jí)，檢測(cè)難度較大。如何對(duì)食品中的重金屬進(jìn)行快速、精確的檢測(cè)，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。基于電化學(xué)的適配體傳感器具有反應(yīng)選擇性好、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。納米材料具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等許多不同于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特性質(zhì)。將適配體具有高特異性的優(yōu)勢(shì)與納米材料的特性相結(jié)合，對(duì)實(shí)現(xiàn)重金屬的快速度檢測(cè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文介紹了金納米粒子、Fe3O4納米顆粒、碳納米管、石墨烯等材料的特性，并綜述了基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展。雖然基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器在重金屬檢測(cè)中取得了矚目的成果，但還有許多內(nèi)容有待于研究：第一，適配體篩選過(guò)程比較復(fù)雜、且篩選出的適配體重復(fù)性高。因此如何快速、高效篩選所需適配體是我們面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。第二，與一般基質(zhì)相比，食品成分相對(duì)復(fù)雜，除靶標(biāo)外還有許多干擾物質(zhì)，預(yù)處理過(guò)程相對(duì)繁瑣、耗時(shí)，會(huì)影響對(duì)重金屬離子檢測(cè)的選擇性、靈敏性和重復(fù)性。如何簡(jiǎn)化食品的前處理過(guò)程，也是基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器所面臨的難題。第三，大多數(shù)適配體傳感器僅能檢測(cè)一種重金屬離子，因此開發(fā)能夠同時(shí)快速、準(zhǔn)確檢測(cè)多種重金屬離子的電化學(xué)適配體傳感器也是未來(lái)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。第四，適配體等生物材料對(duì)環(huán)境要求相對(duì)嚴(yán)苛，在運(yùn)輸、貯存、檢測(cè)等過(guò)程中如何保證其活性也是傳感器研究中所面臨的問(wèn)題?？傊诩{米材料的電化學(xué)適配體傳感器在食品安全領(lǐng)域中對(duì)于重金屬離子的檢測(cè)還有待于進(jìn)一步研究。相信隨著研究的不斷深入，基于納米材料的電化學(xué)適配體傳感器必將于食品檢測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。